專利名稱：減小視差并保持亮度的光散射器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學部件，更具體地，涉及一種顯示器(例如計算機顯示器、電視顯示器等)的光學部件。該顯示器可為LCD顯示器。本發(fā)明可應(yīng)用于高動態(tài)范圍的顯示器以及其它類型的顯示器。
背景技術(shù)：
在典型的高動態(tài)范圍顯示器中，背光單元在光調(diào)制器的內(nèi)側(cè)上產(chǎn)生相對較低分辨率的圖像。該低分辨率圖像被光調(diào)制器調(diào)制，從而產(chǎn)生相對較高分辨率的圖像，該圖像顯示在光調(diào)制器的外側(cè)上，以便觀察者感知。該調(diào)制器可包括LCD。用于控制背光單元和光調(diào)制器的電信號可通過合適的已知類型的控制電路產(chǎn)生。例如，為了控制LCD光調(diào)制器，可使用與常規(guī)LCD計算機監(jiān)視器中控制LCD調(diào)制器的控制電路類型相同的控制電路。高動態(tài)范圍顯示器的例子在2002年9月6日公開的國際專利申請WO 02/069030和2003年9月18日公開的國際專利申請WO 03/077013中公開，它們在此引作參考。
背光單元中的多個光源可照亮光調(diào)制器中的每個像素。在背光單元和調(diào)制器之間保持相對較小的間距使得低分辨率圖像中相鄰像素能夠相互平滑地融合。已知的圖像補償技術(shù)可用于消除圖像模糊現(xiàn)象。
這些圖像補償技術(shù)的一個困難是理想情況下從低分辨率圖像的像素到相應(yīng)的高分辨率圖像的像素的光強(亮度)是相等的。另外，高分辨率圖像像素的光強會隨著觀察者觀察圖像的方向而變化，這種狀況是不理想的。獲得這種亮度不變的一個常規(guī)方法是在顯示器中使用具有朗伯輸出分布(Lambertian output distribution)的光散射器(即，從光散射器外側(cè)發(fā)出的光線的角分布關(guān)于光散射器的法線方向?qū)ΨQ，并且獨立于相應(yīng)入射光線的方向)。這種光散射器消除了視差(由于觀察者的位置改變，即，觀察目標物的視線不同，引起的目標物方向上的顯著改變)。因此，觀察者不會看到不應(yīng)觀察到的顯示層后的物體的圖像。
不利的是，朗伯光散射器使顯示器整體亮度減少大約一個數(shù)量級。這部分是因為散射器內(nèi)光線的反向散射，而部分是因為散射器固有的在相對較大的立體角度范圍內(nèi)分布亮度(實際為π球面度，而優(yōu)選的立體弧度不超過大約0.5球面度)的功能。
發(fā)明者認識到對于顯示裝置而言需要通過將入射光線限制在優(yōu)選的視角范圍內(nèi)來保持顯示器背光單元中的圖像亮度，并且通過限制透射通過顯示器傳播的光線的角度分布對觀察者觀察顯示器的方向的依賴性而減小視差。


在非限制性的附圖中圖1是光散射元件的放大橫截面?zhèn)纫晥D。
圖2是具有多個圖1中的光散射元件的光散射片的部分放大橫截面頂視圖。
圖3是圖2中光散射片的部分放大正視圖(放大程度高于圖2)。
圖4是具有類似圖2中的光散射片的顯示器的部分示意橫截面圖。
具體實施例方式
下面的描述中，具體的細節(jié)描述便于更好地理解本發(fā)明。但是本發(fā)明可以不介由這些細節(jié)實現(xiàn)。在其他的實例中，為了避免不必要地混淆本發(fā)明，沒有展示或詳細說明公知元件。因此，說明和附圖應(yīng)被視為舉例闡述，而非限制。
圖1展示了單個光散射元件10。舉例說明，在顯示器中適用于將從背光單元入射到調(diào)制器上的光線發(fā)散的光散射器可包括在該光散射器上分布的多個光散射元件。該顯示器可包括高動態(tài)顯示器或其他類型的顯示器，例如常規(guī)的LCD顯示器。
光散射元件10包括柱形波導元件12，該波導元件12耦接于復合拋物面聚光器14和反向的復合拋物面聚光器(inverse compound parabolicconcentrator)16之間。波導元件12可由任意合適的材料形成，該材料的折射率與周圍材料(例如空氣)的折射率差異很大，使得光線在波導元件12內(nèi)全反射。例如，波導元件12可由合適的透明或絕緣的材料形成，例如合適的光學透明玻璃或塑料。
復合拋物面聚光器14將入射光18、20、22會聚，并且將光線從復合拋物面聚光器14導向波導元件12。在入射光線18、20、22進入復合拋物面聚光器14之前，準直器(圖1未示出)使光線18、20、22準直，從而，對空氣介質(zhì)來說，入射光線18、20、22處于理想的視角范圍內(nèi)，即，在箭頭24指示的顯示器的法線方向的大約25度角范圍內(nèi)。準直校正使得進入復合拋物面聚光器14的光量最大化，因而使得進入波導元件12的光量最大化。
復合拋物面聚光器14和反向復合拋物面聚光器16可由任意合適的材料形成，這些材料的折射率與周圍材料(例如空氣)的折射率差異很大，使得光線在它們的邊界全反射。復合拋物面聚光器14和反向復合拋物面聚光器16各自可以由與波導元件12相同的材料構(gòu)成。例如復合拋物面聚光器14和反向復合拋物面聚光器16可由合適的透明或絕緣的材料形成，例如合適的光學透明玻璃或塑料。在一些實施例中，復合拋物面聚光器14、反向復合拋物面聚光器16和波導元件12都由相同的材料構(gòu)成。這樣避免了在復合拋物面聚光器14、反向復合拋物面聚光器16和波導元件12的界面處反光。
在會聚光線26、28、30進入反向復合拋物面聚光器16之前，波導元件12使會聚光線26、28、30全反射并空間均化。在此處，空間均化意味著進入波導元件12中的光線的方向特征信息被消除。經(jīng)過空間均化的光線32、34、36通過反向復合拋物面聚光器16(它可以是一復合拋物面準直器)從光散射元件10中導出。相應(yīng)地，光線32、34、36以光線38、40、42的形式從光散射元件10中射出。反向復合拋物面聚光器16可將從光散射元件10射出的光線恢復到類似或相同于入射到光散射元件10的光線的準直水平。
復合拋物面聚光器是公知的含義明確的光學裝置。例如，參見2000年的Journal ofthe Illuminating Engineering Society的78-82頁中P.Kon等人的《棱鏡光導中有效耦合大光源的結(jié)構(gòu)(Structure for Efficiently Coupling LargeLight Sources in Prism Light Guides)》。波導元件12的直徑被選擇與聚光器14、16的直徑相匹配，聚光器14、16分別與波導元件12相連。波導元件12的長度并不嚴格。優(yōu)選的，波導元件12長度滿足在光線經(jīng)過波導元件時光線被全反射了一定的次數(shù)(例如2或更多，優(yōu)選地3或更多，或者甚至10或更多)，從而獲得上述的空間均化。這通常意味著波導元件12的長度至少是它的直徑的兩倍(如果波導元件12的橫截面為圓形)或者它的最大橫截面直徑的兩倍(如果波導元件12的橫截面不是圓形)。
圖2和3描述了具有多個光散射元件10的光散射片44的一部分。片44盡可能多地使從低分辨率圖像發(fā)出的光線到達并有助于高分辨率圖像相應(yīng)像素的亮度，從而保持亮度。經(jīng)過每個光散射元件10的光線被空間均化，片44同樣充分地去掉了這些光線的入射角度的分布特征(在期望的25度準直角度內(nèi))。因此，在預期的視角范圍內(nèi)，基本與觀察顯示器的觀察者的視角無關(guān)地使觀看者感知到從低分辨率圖像發(fā)出并形成高分辨率圖像的光線的亮度比。這方便了應(yīng)用任意合適的用于移除例如模糊現(xiàn)象等不利的現(xiàn)象的圖像補償技術(shù)。
圖4展示了包括光散射片44的顯示器100。顯示器100包括背光單元102。在此描述的實施例中，背光單元102包括發(fā)光二極管(LED)陣列104。從LED 104發(fā)出的光經(jīng)過準直器108。優(yōu)選的，使用一種適于循環(huán)使用沒有在經(jīng)過準直器的角度范圍內(nèi)傳播的光線的準直器108。經(jīng)過準直的光線經(jīng)過片44的波導元件12(未在圖4中顯示)并且射在光調(diào)制器114的像素112上。光調(diào)制器114可以是例如LCD面板或者其它透射類型的光調(diào)制器。
在所述的實施例中，控制器120包括圖像數(shù)據(jù)處理器122和用于控制背光單元102的合適的電子接口124A以及用于控制光調(diào)制器114的電子接口124B，控制器120接收定義顯示器100上待顯示的圖像的圖像數(shù)據(jù)126并驅(qū)動背光單元102的發(fā)光元件(例如LED 104)以及光調(diào)制器114的像素，從而產(chǎn)生供觀看的圖像?？刂破?20可包括一合適的編程計算機，該計算機具有合適的軟件/硬件接口，用于控制背光單元102和光調(diào)制器114，從而顯示圖像數(shù)據(jù)126所定義的圖像。
通常，光散射元件10的直徑都比它們所照明的高分辨率光調(diào)制器的像素直徑小很多。高分辨率調(diào)制器的每個像素可以被經(jīng)過多個光散射元件10的光線照亮。例如，光散射元件10可具有好幾十微米的直徑(例如在大約10微米到100或200微米之間)，而高分辨率調(diào)制器的每個像素可具有好幾百微米的直徑(例如超過100微米)。高分辨率調(diào)制器的單個像素可以被經(jīng)過10或更多的光散射元件10的光線照亮。在一些實施例中，每個光散射元件10的大小相應(yīng)于顯示器的高分辨率圖像中的一個像素的大小。
上文提及的部件(例如元件、部分、組件、裝置、處理器、控制器、準直器、電路等等)，除非另外說明，提及的這些部件應(yīng)當被理解為包括其等價物，即能夠執(zhí)行上述部件功能(即功能等同)的任意部件，包括執(zhí)行本發(fā)明所述典型實施例中的功能但在結(jié)構(gòu)上不同于所公開結(jié)構(gòu)的部件。
依據(jù)上述公開，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會明白，在不偏離本發(fā)明的精神的情況下，在本發(fā)明的實踐中可以做出許多變動和修改。例如雖然上述描述涉及高動態(tài)范圍顯示器，但是本發(fā)明是針對一般性的應(yīng)用，并且能夠結(jié)合于任何直背光顯示子系統(tǒng)中，例如液晶顯示器(LCD)。這樣的LCD可以是由獨立光源組成的陣列(例如，美國加利福尼亞州SanJose市的Lumileds Lighting公司出售的紅綠藍Luxeon DCCTM發(fā)光二極管組成的光源陣列)進行背光照明的。
波導元件12和聚光器14、16的橫截面不必為圓形，可以具有其它的橫截面形狀。例如波導元件12的橫截面可以是矩形或者是六邊形；聚光器14、16可以是圓錐形。這些形狀在光學效率方面要小于上文描述的形狀，但是這些形狀在一些需要更容易且更便宜地制造光散射器的應(yīng)用中也是可用的。
光散射元件10不必以圖3所示的方形網(wǎng)格排布，可以是其它所需的與顯示片的像素或像素組的分布一致的布局(例如，隨機分布、六角形、矩形網(wǎng)格等等)。
沒有要求拋物面聚光器14與反向復合拋物面聚光器16的大小必須相等，雖然通常它們具有相等或相似的大小以便與波導元件12匹配。
替代光線全反射的結(jié)構(gòu)，可通過在拋物面聚光器14、反向復合拋物面聚光器16和/或波導元件12的周圍覆蓋反射層或例如反射性金屬這樣的反射材料而制成拋物面聚光器14、反向復合拋物面聚光器16和/或波導元件12。在這樣的實施例中，拋物面聚光器14、反向復合拋物面聚光器16和/或波導元件12可以是具有反射壁的中空結(jié)構(gòu)。
雖然在上文中描述了一些實例特征和實施例，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當認識到可以進行修改、置換、添加和合并。而所附權(quán)利要求包括在它們限定范圍內(nèi)所有這樣的修改、置換、添加和合并。
本申請要求于2004年7月27日申請的題名為“減小視差并保持亮度的光散射器”的美國申請No.60/591088的優(yōu)先權(quán)。
權(quán)利要求
1.一種光散射器，包括多個光散射元件，每個光散射元件包括光耦合于聚光器和反向聚光器之間的波導元件。
2.依據(jù)權(quán)利要求1的光散射器，其中，聚光器為復合拋物面聚光器。
3.依據(jù)權(quán)利要求1或2的光散射器，其中，反向聚光器包括反向復合拋物面聚光器。
4.依據(jù)權(quán)利要求1的光散射器，其中，復合拋物面聚光器會聚入射光，使得從復合拋物面聚光器進入波導元件的光線量最大化。
5.依據(jù)權(quán)利要求4的光散射器，其中，所述光散射器包括在入射光進入復合拋物面聚光器之前準直入射光線的準直器。
6.依據(jù)權(quán)利要求5的光散射器，其中，準直器使入射光線的入射方向處于顯示器法線方向的大約25度角的范圍內(nèi)。
7.依據(jù)權(quán)利要求5的光散射器，其中，波導元件使會聚光線不準直，并使不準直光光學耦合到反向復合拋物面聚光器中。
8.依據(jù)權(quán)利要求7的光散射器，其中，反向復合拋物面聚光器準直經(jīng)過空間均化的光線，并且準直程度與經(jīng)過準直器準直的入射光線的準直程度相同。
9.依據(jù)權(quán)利要求1到8中任一項的光散射器，其中，波導元件包括被空氣包圍著的光學透明絕緣材料。
10.一種顯示器，它包括依據(jù)權(quán)利要求1到9中任意一個的光散射器，該光散射器位于背光單元和光調(diào)制器之間。
11.依據(jù)權(quán)利要求10的顯示器，其中，所述顯示器包括位于背光單元和光散射器之間的準直器。
12.依據(jù)權(quán)利要求11的顯示器，其中，準直器使得入射在光散射器上的大部分光線的入射方向處于與光散射器的垂線成大約25度角的視角范圍內(nèi)。
13.依據(jù)權(quán)利要求10到12中任一項的顯示器，其中，背光單元包括多個可獨立控制的光源。
14.依據(jù)權(quán)利要求13的顯示器，其中，可獨立控制的光源包括發(fā)光二極管。
15.依據(jù)權(quán)利要求10到13中任一項的顯示器，其中調(diào)制器包括多個像素，并且每個像素具有可控透光性；并且光散射器包括位于多個像素中每一個像素在光散射器上的投影區(qū)域內(nèi)的多個光散射元件。
16.依據(jù)權(quán)利要求13或14的顯示器，其中，所述顯示器包括用于控制可獨立控制的光源的光強的控制器，從而在調(diào)制器上提供由圖像數(shù)據(jù)所限定的圖像的低分辨率圖。
17.依據(jù)權(quán)利要求16的顯示器，其中，控制器用于控制調(diào)制器的像素，以顯示比圖像的低分辨率圖分辨率更高的可視圖像。
全文摘要
本發(fā)明提供一種光散射器，包括光散射元件(10)，每個光散射元件包括耦接于聚光器(14)和反向聚光器(16)之間的波導元件(12)。光散射器(44)可位于顯示器(100)中的背光單元(102)和調(diào)制器(114)之間。從低分辨率成像背光單元(102)射向高分辨率光調(diào)制器(114)的光線的亮度可以被保持，從而，在顯示器的優(yōu)選視角范圍內(nèi)的各個觀察方向上，無論觀察者的觀察方向如何改變，觀察者都會感覺到顯示的圖像的亮度沒有明顯變化。
文檔編號G02F1/1335GK101019045SQ200580025974
公開日2007年8月15日 申請日期2005年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月27日
發(fā)明者洛恩·A·懷特海德 申請人:英屬哥倫比亞大學